جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای متین مسیبی)

موضوع:  بررسی عددی و تجربی تاثیر ماده‌ی مخاطی لزج موکوس و هندسه‌ی فلس بر کاهش پسا در ماهیان

ارائه دهنده: متین مسیبی

استادان راهنما: دکتر احمدرضا پیشه‌ور

استادان داور: دکتر احمد سوهانکار، دکتر مهدی نیلی

چکیده:

روش‌های مختلفی برای کاهش پسا وجود دارد که هر یک مزایا و معایب خود را دارا می‌باشد. برخی از این روش‌های نوآورانه با الهام از طبیعت کشف شده‌اند. فلس ماهیان گذر از حالت آرام به آشفته را به تأخیر می‌اندازد و با ایجاد ناحیه‌ای کم‌سرعت در نزدیک سطح، سبب کاهش پسا می‌شود. همچنین ماهیان با ترشح ماده مخاطی لزجی در سطح پوست خود، با ایجاد سرعت لغزش، موجب کاهش پسا فشاری و اصطکاکی می‌شوند.

در این پژوهش، عملکرد کاهش پسا توسط فلس ماهیان و ماده مخاطی لزج در بخش مشخصی از بدن ماهی باس اروپایی، با استفاده از روش‌های عددی و اندازه‌گیری تجربی مورد مطالعه قرار گرفت.

در ابتدا خواص رئولوژیکی و فیزیکی موکوس و سطح بدن ماهی بررسی شد. مشخص گردید که موکوس یک شاره غیرنیوتنی با خاصیت نازک‌شونده برشی است که گرانروی آن تحت تأثیر دما و تنش دچار تغییر می‌شود. این ماده در فرکانس‌های پایین، رفتار گرانروکشسان دارد. همچنین موکوس در مواجهه با فلس ماهیان، رفتار آبدوستی از خود نشان داده و چسبندگی بیشتری نسبت به آب با سطح دارد.

در حل عددی، از مدل آشفتگی Transition SST و مدل دوفازی VOF در حالت Sharp-Dispersed برای مدل‌سازی جریان استفاده شد. ابتدا سطح دارای فلس در ناحیه مشخصی از بدن ماهی، با سطح تخت مقایسه گردید. برای بررسی فیزیک جریان در مکان‌های مختلف از بدن ماهی، از ضخامت‌های مختلف لایه مرزی در ورودی فلس، در سرعت‌های 0.1 m/s، 1 m/s و 5 m/s (با ورودی جریان آرام و آشفته) استفاده شد.

در گام دوم، نرخ تزریق موکوس در سرعت جریان آزاد 5 m/s با دو پروفیل جریان ورودی آرام و آشفته بررسی شد و اثر آن بر کاهش پسا در مقایسه با حالت بدون تزریق، تعیین گردید. این کار در نسبت‌های δ/h برابر با 0، 10 و 20 و اعداد بی‌بعد تزریق برابر با 0، 0.5 و 1.5 انجام شد.

حالت بهینه تزریق نیز برای سرعت‌های 0.1 m/s و 1 m/s مورد ارزیابی قرار گرفت تا اثر موکوس در سرعت‌های پایین نیز مشخص شود. مشخص شد که فلس ماهیان در سرعت‌های کم باعث کاهش پسا می‌شود، اما با افزایش سرعت جریان، نسبت‌های بزرگ‌تری از δ/h برای دستیابی به کاهش پسا لازم است.

به طوری‌ که در سرعت 0.1 m/s، در δ/h = 15 کاهش پسا به میزان 3.64٪، و در سرعت 1 m/s، در δ/h = 40 کاهش پسا به میزان 4.04٪ مشاهده شد. در نسبت‌های کوچک‌تر، فلس باعث افزایش پسا می‌شود. در سرعت 5 m/s، تا δ/h = 100 کاهش پسا مشاهده نشد. همچنین در ورودی جریان آشفته، افزایش چشمگیری در پسا مشاهده شد.

از سوی دیگر، ماهی می‌تواند در سرعت‌های بالا، با تزریق اندک موکوس (سرعت تزریق 0.0027 m/s، در عدد بی‌بعد تزریق 1.5 و سرعت جریان آزاد 5 m/s)، پسا را کاهش دهد. به عبارتی، ماهیان در سرعت‌های پایین از هندسه فلس و در سرعت‌های بالا از تزریق موکوس برای کاهش پسا استفاده می‌کنند.

با افزایش میزان تزریق (اعداد بی‌بعد تزریق بالاتر) و کاهش ضخامت لایه مرزی، میزان کاهش پسا افزایش می‌یابد. به‌طور مشخص، با توجه به خاصیت غیرنیوتنی موکوس، نرخ برش افزایش یافته و گرانروی کاهش می‌یابد. هرچه گرانروی موکوس به گرانروی آب نزدیک‌تر شود، درصد کاهش پسا بیشتر خواهد بود.

به‌طوری‌که در عدد بی‌بعد تزریق 1.5 و δ/h = 0 (شرایط ایده‌آل)، کاهش پسا به میزان 16.87٪ در جریان با ورودی آرام و 18.98٪ در جریان با ورودی مغشوش مشاهده شد.

با کاهش سرعت، عملکرد موکوس کاهش یافته و حتی ممکن است باعث افزایش پسا شود.

این پژوهش گامی مؤثر در راستای درک رفتار فلس و موکوس ماهیان در حین حرکت آن‌ها می‌باشد. نتایج این مطالعه، رفتار طبیعی ماهیان را در مواجهه با جریان توجیه می‌کند. از این یافته‌ها می‌توان در طراحی محصولات فناورانه برای کاهش پسا بهره‌برداری کرد.

کلمات کلیدی:
ماهی (Fish)، فلس (Scale)، موکوس (Mucus)، پسا (Drag)، شبیه‌سازی عددی (Numerical Simulation)، آزمایشگاهی (Experimental)